第一章计算机系统概论(白中英第五版)

1、计算机组成原理第一章 计算机系统概论任课教师：廖绍雯河西学院信息技术与传媒学院Email: Tel:前言 教材教材白中英，计算机组成原理白中英，计算机组成原理第第5 5版版, ,科学出版社；科学出版社；20082008 参考书参考书唐朔飞，计算机组成原理唐朔飞，计算机组成原理( (第第2 2版版),),高等教育出版社；高等教育出版社；20102010石磊，计算机组成原理石磊，计算机组成原理( (第第2 2版版),),清华大学出版社；清华大学出版社；20062006钱晓捷，微型计算机原理及应用钱晓捷，微型计算机原理及应用, ,清华大学出版社；清华大学出版社；200620

2、06王爱英王爱英, ,计算机组成与结构计算机组成与结构( (第第4 4版版),),清华大学出版社；清华大学出版社；20072007白中英白中英 ，计算机组织与体系结构，计算机组织与体系结构( (第第4 4版版),),科学出版社；科学出版社；200820082022年4月20日星期三 教学大纲一、课程性质与任务一、课程性质与任务（课程在专业教学计划中的地位与课程教学目标）（课程在专业教学计划中的地位与课程教学目标）“计算机组成原理计算机组成原理”属于专业基础课，必修课。面向应用、属于专业基础课，必修课。面向应用、突出实践、偏向硬件和理论。突出实践、偏向硬件和理论。计算机组成原理是计算机教学中的一

3、门核心课程，是计算机组成原理是计算机教学中的一门核心课程，是学习计算机课程所要必修的主干课。通过教学，使学生对学习计算机课程所要必修的主干课。通过教学，使学生对计算机的各主要部分（运算期、控制器、存储器、输入输计算机的各主要部分（运算期、控制器、存储器、输入输出设备）的构成及工作原理有一个深刻的、系统的认识和出设备）的构成及工作原理有一个深刻的、系统的认识和理解，同时对计算机的发展趋势也有一个较为深入的了解。理解，同时对计算机的发展趋势也有一个较为深入的了解。2022年4月20日星期三 教学大纲一、课程性质与任务一、课程性质与任务（课程在专业教学计划中的地位与课程教学目标）（课程在专业教学计划

4、中的地位与课程教学目标）主要讲解简单、单台计算机的完整组成原理和内部运行机主要讲解简单、单台计算机的完整组成原理和内部运行机制，包括运算器部件、控制器部件、存储器子系统、输入制，包括运算器部件、控制器部件、存储器子系统、输入/ /输出子系统与输入输出子系统与输入/ /输出系统设备，围绕各自的功能、组成、输出系统设备，围绕各自的功能、组成、设计、实现、使用等知识进行介绍；此外，该课程的工程设计、实现、使用等知识进行介绍；此外，该课程的工程性、实践性、技术性比较强，还强调培养学生的动手动脑性、实践性、技术性比较强，还强调培养学生的动手动脑能力、开创与创新意识、实验技能，这些要求更多的是通能力、开创

5、与创新意识、实验技能，这些要求更多的是通过作业、教学实验等环节完成，要求学生有意识地主动加过作业、教学实验等环节完成，要求学生有意识地主动加强这些方面的练习与锻炼。强这些方面的练习与锻炼。2022年4月20日星期三 教学大纲二二、课程的基本要求、课程的基本要求（课程教学应使学生达到的基本要求（课程教学应使学生达到的基本要求）计算机系统概述、计算机中的数据表示、运算方法和运算计算机系统概述、计算机中的数据表示、运算方法和运算器、指令系统、随机逻辑和微程序控制原理、存储系统、器、指令系统、随机逻辑和微程序控制原理、存储系统、输入输出系统、计算机外设简介，要求学生掌握计算机的输入输出系统、计算机外设

6、简介，要求学生掌握计算机的组成和工作原理。组成和工作原理。通过学习，使学生了解计算机的组成原理及工作原理，以通过学习，使学生了解计算机的组成原理及工作原理，以建立整机概念。本课程设有实验，以加深对课程内容的理建立整机概念。本课程设有实验，以加深对课程内容的理解，培养学生的动手能力。解，培养学生的动手能力。2022年4月20日星期三 教学大纲三、课程与其他课程的联系与分工三、课程与其他课程的联系与分工先修课：数字电路、模拟电路、汇编语言程序设计先修课：数字电路、模拟电路、汇编语言程序设计后续课：计算机系统结构、微型计算机系统与设计，关后续课：计算机系统结构、微型计算机系统与设计，关系密切的还有操

7、作系统等课程。系密切的还有操作系统等课程。四、课程总学时中各环节的学时分配四、课程总学时中各环节的学时分配（讲授、实验、上机、实践等）（讲授、实验、上机、实践等）授课学时：授课学时：4848，实验学时：，实验学时：16162022年4月20日星期三 目录2022年4月20日星期三 第一章第一章 计算机系统概论计算机系统概论 第二章第二章 运算方法和运算器运算方法和运算器 第三章第三章 存储系统存储系统 第四章第四章 指令系统指令系统 第五章第五章 中央处理器中央处理器 第六章第六章 总线系统总线系统 第七章第七章 外围设备外围设备 第八章第八章 输入输出系统输入输出系统 1.1 准备知识202

8、2年4月20日星期三一一、概念概念 计算机（计算机（ComputerComputer）是一种以电子器件为基础的，不）是一种以电子器件为基础的，不需人的直接干预，能够对各种数字化信息，进行算术和逻需人的直接干预，能够对各种数字化信息，进行算术和逻辑运算的快速工具。辑运算的快速工具。 二二、层次层次（1 1）以以电子器件为物质基础：电子电子器件为物质基础：电子数字计算机数字计算机 （Digital ComputerDigital Computer）（2 2） 不需要人的直接干预：自动化（存储程序为基础）不需要人的直接干预：自动化（存储程序为基础） 1.1 准备知识2022年4月20日星期三（3 3

9、）数字化）数字化信息：二进制（计算机能够具有逻辑判断信息：二进制（计算机能够具有逻辑判断和和 处理处理能力的基础）能力的基础）（4 4）算术）算术逻辑运算：基本运算操作是算术和逻辑运算逻辑运算：基本运算操作是算术和逻辑运算（5 5）快速）快速工具：工具：（A A） 电子器件电子器件（B B） 存储程序存储程序 1.1 准备知识2022年4月20日星期三三三、特征特征 （A A）高速高集成度开关元件）高速高集成度开关元件 （B B） 数字化数字化信息编码信息编码 （C C） 逻辑判断和处理能力逻辑判断和处理能力 （D D） 存储程序存储程序 （A A） 快速性（由（快速性（由（1 1）中（）中（

10、A A）（）（D D）决定）决定） （B B） 准确性（由（准确性（由（1 1）中（）中（B B）（）（D D）决定）决定） （C C） 逻辑性（由（逻辑性（由（1 1）中（）中（A A）（）（C C）（）（D D）决定）决定） （D D） 通用性（由（通用性（由（1 1）中（）中（A A）（）（B B）（）（C C）（）（D D）决定）决定） 1.1 准备知识2022年4月20日星期三四四、ENIAC ENIAC 概况概况 数据表示数据表示十进制十进制 工作存储器工作存储器只有只有2020个单元，用于存储数据个单元，用于存储数据 编程编程人工对面板上人工对面板上60006000多个开关进行机

11、械定位，然多个开关进行机械定位，然后转接插线头，以插入拔出方式编程后转接插线头，以插入拔出方式编程 1.1 准备知识2022年4月20日星期三 ENIACENIAC：长：长30.4830.48米，宽米，宽1 1米，占地面积米，占地面积170170平方米，平方米，3030个个操作台，约相当于操作台，约相当于1010件普通房间的大小，重达件普通房间的大小，重达3030吨，耗吨，耗电量电量150150千瓦，造价千瓦，造价4848万美元。它使用万美元。它使用1800018000个电子管，个电子管，7000070000个电阻，个电阻，1000010000个电容，个电容，15001500个继电器，个继电器

12、，60006000多个多个开关，每秒执行开关，每秒执行50005000次加法或次加法或400400次乘法，是继电器计次乘法，是继电器计算机的算机的10001000倍、手工计算的倍、手工计算的2020万倍。可靠运行时间不到万倍。可靠运行时间不到2020分钟。分钟。 1.1 准备知识2022年4月20日星期三 1.1 准备知识2022年4月20日星期三五、冯诺依曼体制五、冯诺依曼体制 引进引进存储程序存储程序概念概念 计算机以计算机以运算器运算器为核心的集中式控制为核心的集中式控制 指令由指令由操作码和地址码操作码和地址码两部分组成，指令在计算机中两部分组成，指令在计算机中是顺序执行的，并受是顺序

13、执行的，并受PCPC的统一控制的统一控制 计算机由控制器、运算器、存储器、输入设备、输出计算机由控制器、运算器、存储器、输入设备、输出设备五大部分组成设备五大部分组成 1.1 准备知识2022年4月20日星期三要点：要点： 数字计算机的数制采用数字计算机的数制采用二进制二进制。 计算机应该按照计算机应该按照程序顺序程序顺序执行。执行。论文：论文：“电子计算机装置逻辑结构初探电子计算机装置逻辑结构初探” 埃克特、莫克利埃克特、莫克利 1.2 计算机的硬件 2022年4月20日星期三一、计算机的硬件组成一、计算机的硬件组成例子：例子：y=ax+b-c 1.2 计算机的硬件 2022年4月20日星期

14、三二、运算器二、运算器功能：功能： 完成算术运算和逻辑运算的装置完成算术运算和逻辑运算的装置设置考虑：设置考虑： 任何算术运算（任何算术运算（% %）都可以通过相加和移）都可以通过相加和移位来解决位来解决 1.2 计算机的硬件 2022年4月20日星期三 举例举例十进制例子十进制例子（连续加连续加% %连续减）连续减） 12 12 12 12 - 7 + 3 - 7 + 3（7 7的补码）的补码） = 5 = 5 1515 123 123 123 123 - 78 + 22 - 78 + 22 = 45 145 = 45 145 1.2 计算机的硬件 2022年4月20日星期三 运算器基本结构

15、图运算器基本结构图运算器运算器由：加法器、由：加法器、移位门、寄存器组、移位门、寄存器组、输入选择门和数据总输入选择门和数据总线线组成。组成。运算器的结构示意图运算器的结构示意图 1.2 计算机的硬件 2022年4月20日星期三三、存储器三、存储器 功能：功能：存放程序和数据的装置，并满足计算机在执行存放程序和数据的装置，并满足计算机在执行过程中能够随机访问这些程序和数据过程中能够随机访问这些程序和数据存储器的结构示意图存储器的结构示意图 1.2 计算机的硬件 2022年4月20日星期三 设置考虑：设置考虑：（1 1） 1.2 计算机的硬件 2022年4月20日星期三 1.2 计算机的硬件 2

16、022年4月20日星期三（2 2）存储器中以二进制码存储的存储器中以二进制码存储的指令和数据示意图指令和数据示意图 1.2 计算机的硬件 2022年4月20日星期三 1.2 计算机的硬件 2022年4月20日星期三 1.2 计算机的硬件 2022年4月20日星期三 1.2 计算机的硬件 2022年4月20日星期三 存储单元存储单元： 在存储器中保存一个在存储器中保存一个n n位二进制数的位二进制数的n n个触发器个触发器，组成一个存储单元组成一个存储单元 存储器存储器地址地址：存储器是由许多存储单元组成存储器是由许多存储单元组成，每个每个存储单元的编号存储单元的编号，称为地址称为地址 存储容量

17、存储容量：存储器所有存储单元的总数。通常用单存储器所有存储单元的总数。通常用单位位“KB“KB、MBMB、GB”GB”等表示等表示 内存储器（主存）内存储器（主存）和和外存储器外存储器( (辅存）辅存） 1.2 计算机的硬件 2022年4月20日星期三四、控制器四、控制器功能：功能：全能指挥机构，执行方式有如下三种：全能指挥机构，执行方式有如下三种：按规定的操作去执行按规定的操作去执行自动的去执行自动的去执行有秩序的去执行有秩序的去执行 1.2 计算机的硬件 2022年4月20日星期三（1 1）按规定的操作去执行）按规定的操作去执行 1.2 计算机的硬件 2022年4月20日星期三（2 2）自

18、动的去执行）自动的去执行 1.2 计算机的硬件 2022年4月20日星期三（3 3）有秩序的去执行）有秩序的去执行 1.2 计算机的硬件 2022年4月20日星期三 1.2 计算机的硬件 2022年4月20日星期三表示参加运算的数据表示参加运算的数据从存储器的哪个单元取从存储器的哪个单元取运算的结果应存到哪个单元运算的结果应存到哪个单元指出指令所进行的操作指出指令所进行的操作加、减、乘、除、取数、存数等加、减、乘、除、取数、存数等 指令操作码加法减法乘法除法取数存数打印停机001010011100101110111000例子：例子：y=ax+b-c操作码操作码地址码地址码横格纸上的解题示意图横

19、格纸上的解题示意图 1.2 计算机的硬件 2022年4月20日星期三 1.2 计算机的硬件 2022年4月20日星期三五、输入输出设备五、输入输出设备接口输入设备接口输出设备 1.2 计算机的硬件 2022年4月20日星期三六、总线六、总线 概念：概念：连接多个部件的一组共享信息传送线路，能够连接多个部件的一组共享信息传送线路，能够分时接受和发送各部件信息。分时接受和发送各部件信息。控制总线控制总线CB数据总线数据总线DB地址总线地址总线AB微微处处理理器器I/O设备设备I/O接口接口存储器存储器系统总线系统总线BUS 1.3 计算机的软件 2022年4月20日星期三一、计算机软件一、计算机软

20、件计算机软件程序数据文档计算机软件程序数据文档软件分类软件分类操作系统操作系统 语言处理程序语言处理程序服务性程序服务性程序应用软件应用软件办公软件包办公软件包数据库管理系统数据库管理系统浏览器浏览器实时控制实时控制软件软件诊断诊断、排错程序排错程序反病毒程序反病毒程序备份程序备份程序文件压缩程序文件压缩程序卸载程序卸载程序图形图像处理软件图形图像处理软件其它应用软件其它应用软件系统软件系统软件 1.3 计算机的软件 2022年4月20日星期三二、目的程序二、目的程序l早期计算机中，人们直接用机器语言编写程序，早期计算机中，人们直接用机器语言编写程序，计算机完全可以计算机完全可以“识别识别”并

21、能执行，所以又叫并能执行，所以又叫做目的程序做目的程序l用机器语言编写程序很繁琐，又耗费大量的人用机器语言编写程序很繁琐，又耗费大量的人力和时间，容易出错，出错后寻找错误也相当力和时间，容易出错，出错后寻找错误也相当费事，大大限制了计算机的使用费事，大大限制了计算机的使用 1.3 计算机的软件 2022年4月20日星期三三、汇编程序三、汇编程序 为了编写程序方便翻译和提高机器的使用效率，人为了编写程序方便翻译和提高机器的使用效率，人们发明了们发明了汇编语言汇编语言 借助于汇编程序，计算机本身自动地把符号语言表借助于汇编程序，计算机本身自动地把符号语言表示的程序（称为汇编源程序）翻译成用机器语言

22、表示的程序（称为汇编源程序）翻译成用机器语言表示的目的程序示的目的程序用约定的文字、符号和数字（助记符）用约定的文字、符号和数字（助记符）按规定按规定 的格式来表示各种不同的指令的格式来表示各种不同的指令 1.3 计算机的软件 2022年4月20日星期三四四、高级语言、高级语言 为了进一步实现程序自动化和便于程序交流，使不熟为了进一步实现程序自动化和便于程序交流，使不熟悉具体计算机的人也能很方便地使用计算机，人们又悉具体计算机的人也能很方便地使用计算机，人们又创造了各种接近于数学语言的创造了各种接近于数学语言的算法语言（高级程序设算法语言（高级程序设计语言）计语言） 算法语言是指按实际需要规定

23、好的一套基本符号以及算法语言是指按实际需要规定好的一套基本符号以及由这套基本符号构成程序的规则。比较接近数学语言，由这套基本符号构成程序的规则。比较接近数学语言，直观通用，与具体机器无关，只要稍加学习就能掌握，直观通用，与具体机器无关，只要稍加学习就能掌握，便于推广使用计算机便于推广使用计算机 1.3 计算机的软件 2022年4月20日星期三五、编译程序五、编译程序l用程序设计语言编写的程序称为源程序，这种用程序设计语言编写的程序称为源程序，这种源程序不能由机器直接识别和执行，必须给计源程序不能由机器直接识别和执行，必须给计算机配备一个即懂算法语言又懂机器语言的算机配备一个即懂算法语言又懂机器

24、语言的“翻译翻译”，才能把源程序翻译为机器语言。，才能把源程序翻译为机器语言。 1.3 计算机的软件 2022年4月20日星期三 通常采用下面两种方法：通常采用下面两种方法：编译系统：编译系统： 用编译程序将源程序编译成机器语用编译程序将源程序编译成机器语言形式的目的程序，然后在目标系统运行言形式的目的程序，然后在目标系统运行解释系统解释系统 ：逐个解释并立即执行源程序的语句，逐个解释并立即执行源程序的语句，它不是编出目的程序后再执行，而是直接逐一它不是编出目的程序后再执行，而是直接逐一解释语句并得出计算结果解释语句并得出计算结果 1.4 计算机系统的层次结构 2022年4月20日星期三用用 户户 级级高高 级